PH-responsive polymer nanoparticle-hydrogel for controlled drug delivery

This thesis focuses on the development and characterization of a pH-responsive controlled drug delivery system for cancer treatment applications. Conventional therapeutic approaches, such as chemotherapy, radiotherapy, and surgery, are effective in slowing tumor progression; however, they are often associated with severe side effects due to their impact on healthy tissues. In recent years, nanotechnology has emerged as a promising strategy to improve the selectivity and efficacy of anticancer therapies. Polymeric nanoparticles can enhance drug accumulation within tumor cells, reduce systemic toxicity, and improve the solubility of poorly water-soluble chemotherapeutic agents. Moreover, when rationally designed, they can achieve controlled and targeted drug release in response to specific tumor microenvironment conditions, such as acidic pH. Despite these advantages, challenges such as blood stability, biodistribution, and long-term biocompatibility still need to be addressed. In parallel, biodegradable hydrogels have been investigated as local drug delivery platforms capable of providing sustained and site-specific release, thereby minimizing systemic drug exposure and related adverse effects. In this work, a hybrid nanoparticle–hydrogel system responsive to pH stimuli was developed, aiming to combine the advantages of both technologies while overcoming their individual limitations. Prior to assembling the combined system, the two delivery platforms were synthesized and characterized separately. Amphiphilic block copolymers based on ((polyhydroxyethyl methacrylate-graft-lactic acid₁₂)-co-polymethacrylic acid)-b-polydi(ethylene glycol) methyl ether methacrylate were synthesized via RAFT polymerization, whose progress was monitored by NMR analysis to ensure precise control over molecular architecture. The resulting copolymers were subsequently assembled into micellar nanoparticles through nanoprecipitation. Importantly, nanoparticle production was carried out both using a conventional batch method and through continuous-flow synthesis employing microfluidic devices, allowing comparison between the two fabrication approaches in terms of control, reproducibility, and potential scalability. The synthesized nanoparticles were evaluated in drug release studies under acidic conditions (pH = 5) to assess their responsiveness to tumor-like environments. Hydrogel formation was achieved through the preliminary synthesis of an HPMC-C12 polymeric network. Nanoparticles were then incorporated into the hydrogel matrix to obtain different hybrid formulations. The mechanical properties of the resulting systems were characterized by rheological analyses to confirm hydrogel behavior. A combined release study was performed to evaluate the performance of the hybrid nanoparticle–hydrogel platform and to highlight the advantages of the integrated configuration compared to the individual delivery systems. Overall, this work demonstrates the potential of a pH-responsive hybrid nanoparticle–hydrogel system as an advanced strategy for controlled and localized anticancer drug delivery.

Questa tesi si concentra sullo sviluppo e sulla caratterizzazione di un sistema di rilascio controllato di farmaci sensibile al pH per applicazioni nel trattamento del cancro. Le terapie convenzionali, come chemioterapia, radioterapia e chirurgia, sono efficaci nel rallentare la progressione tumorale; tuttavia, sono spesso associate a gravi effetti collaterali dovuti all’impatto sui tessuti sani. Negli ultimi anni, la nanotecnologia è emersa come una strategia promettente per migliorare la selettività e l’efficacia delle terapie antitumorali. Le nanoparticelle polimeriche possono aumentare l’accumulo del farmaco all’interno delle cellule tumorali, ridurre la tossicità sistemica e migliorare la solubilità dei chemioterapici scarsamente solubili in acqua. Inoltre, se opportunamente progettate, possono consentire un rilascio controllato e mirato del farmaco in risposta a specifiche condizioni del microambiente tumorale, come il pH acido. Nonostante questi vantaggi, restano ancora da affrontare alcune criticità, tra cui la stabilità nel circolo sanguigno, la biodistribuzione e la biocompatibilità a lungo termine. Parallelamente, gli idrogel biodegradabili sono stati studiati come piattaforme per il rilascio locale di farmaci, in grado di garantire un rilascio prolungato e sito-specifico, minimizzando così l’esposizione sistemica al farmaco e i relativi effetti avversi. In questo lavoro è stato sviluppato un sistema ibrido nanoparticella–idrogel sensibile agli stimoli di pH, con l’obiettivo di combinare i vantaggi di entrambe le tecnologie e superarne le limitazioni individuali. Prima dell’assemblaggio del sistema combinato, le due piattaforme di rilascio sono state sintetizzate e caratterizzate separatamente. Sono stati sintetizzati copolimeri a blocchi anfifilici basati su ((poliidrossietil metacrilato-graft-acido lattico₁₂)-co-polimetacrilico acido)-b-poli(di(etilenglicole) metil etere metacrilato) mediante polimerizzazione RAFT, il cui progresso è stato monitorato tramite analisi NMR per garantire un controllo preciso dell’architettura molecolare. I copolimeri ottenuti sono stati successivamente assemblati in nanoparticelle micellari attraverso nanoprecipitazione. È importante sottolineare che la produzione delle nanoparticelle è stata effettuata sia mediante un metodo convenzionale batch sia tramite sintesi in flusso continuo utilizzando dispositivi microfluidici, consentendo un confronto tra i due approcci di fabbricazione in termini di controllo, riproducibilità e potenziale scalabilità. Le nanoparticelle sintetizzate sono state valutate mediante studi di rilascio del farmaco in condizioni acide (pH = 5) per verificarne la responsività ad ambienti simili a quello tumorale. La formazione dell’idrogel è stata ottenuta attraverso la sintesi preliminare di una rete polimerica HPMC-C12. Le nanoparticelle sono state quindi incorporate nella matrice dell’idrogel per ottenere diverse formulazioni ibride. Le proprietà meccaniche dei sistemi risultanti sono state caratterizzate mediante analisi reologiche per confermare il comportamento tipico degli idrogel. È stato infine condotto uno studio di rilascio combinato per valutare le prestazioni della piattaforma ibrida nanoparticella–idrogel e per evidenziare i vantaggi della configurazione integrata rispetto ai singoli sistemi di rilascio. Nel complesso, questo lavoro dimostra il potenziale di un sistema ibrido nanoparticella–idrogel sensibile al pH come strategia avanzata per il rilascio controllato e localizzato di farmaci antitumorali.